水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析.pdf

第35卷 第11期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.35 No.11 2019年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2019 95 水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析 雷宏軍，楊宏光，劉 歡，潘紅衛(wèi)，劉 鑫，臧 明 （華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院/水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450046） 摘 要：為了解水肥氣耦合滴灌下不同水肥氣調(diào)控措施對(duì)土壤N2O排放的影響，該研究設(shè)置施氮量（低氮和常氮）、摻氣量（不摻氣和循環(huán)曝氣處理）和灌水量（低濕度和高濕度處理）3因素2水平完全隨機(jī)試驗(yàn)，通過靜態(tài)箱-氣相色譜法、qPCR技術(shù)和結(jié)構(gòu)方程模型，系統(tǒng)研究了不同水肥氣組合方案下溫室番茄地土壤N2O排放特征及其與相關(guān)影響因素之間的關(guān)系。結(jié)果表明，水肥氣耦合滴灌下N2O排放峰值出現(xiàn)在施氮后2 d內(nèi)，其余時(shí)期N2O排放通量較低且變幅較小。施氮量、摻氣量和灌水量的增加可增加土壤N2O排放通量和排放總量。其中，高濕度條件下N2O排放總量較低濕度平均增加了30.14%，曝氣條件下N2O排放總量較對(duì)照平均增加了35.16%，常氮條件下N2O排放總量較低氮平均增加了33.83%。施氮量、摻氣量和灌水量的增加可提高溫室番茄的產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力。土壤NH4+-N和NO3-N含量對(duì)N2O排放的總效應(yīng)為0.60和0.79，是影響水肥氣耦合滴灌下土壤N2O排放的主導(dǎo)因子。綜合考慮作物產(chǎn)量、N2O排放總量和氮肥偏生產(chǎn)力，常氮曝氣低濕度處理是適宜的水肥氣耦合滴灌方案。 關(guān)鍵詞：肥料；灌溉；排放控制；N2O排放；影響因素；結(jié)構(gòu)方程模型 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 中圖分類號(hào)：S275.6; S365 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-6819(2019)-11-0095-10 雷宏軍，楊宏光，劉 歡，潘紅衛(wèi)，劉 鑫，臧 明. 水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(11)：95104. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 http:/www.tcsae.org Lei Hongjun, Yang Honguang, Liu Huan, Pan Hongwei, Liu Xin, Zang Ming. Characteristics and influencing factors of N2O emission from greenhouse tomato field soil under water-fertilizer-air coupling drip irrigationJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 95104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.011 http:/www.tcsae.org 0 引 言 氧化亞氮（nitrous oxide，N2O）是大氣中重要的溫室氣體，因增溫效應(yīng)巨大、滯留大氣時(shí)間長(zhǎng)、破壞大氣臭氧層，受到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注1。農(nóng)業(yè)N2O排放量約占全球人為排放量的70%2，中國(guó)80%人為排放的N2O排放來(lái)源于農(nóng)田土壤3。設(shè)施菜地因具有氮肥用量大、復(fù)種指數(shù)高及灌溉頻繁等特點(diǎn)，導(dǎo)致N2O大量排放4。灌溉施肥是影響農(nóng)田水分、氮素和氧氣含量以及土壤N2O排放的重要措施5。水肥氣耦合滴灌是在水肥耦合和曝氣灌溉基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新型灌溉技術(shù)，可提高土壤氧氣含量，緩解根區(qū)缺氧狀況，增大土壤呼吸，適時(shí)適量地補(bǔ)充土壤水分養(yǎng)分，促進(jìn)植株生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量及水肥利用效率6。 土壤N2O排放主要受土壤微生物所驅(qū)動(dòng)的硝化作用和反硝化作用控制7。農(nóng)田硝化和反硝化作用受到土壤微生物、土壤水分、養(yǎng)分和氧氣含量等諸多因素的影響，而土壤水分、氮素和氧氣含量不僅影響著微生物種類和數(shù)量，還影響N2O的排放8。目前關(guān)于農(nóng)田土壤N2O排收稿日期：2018-11-15 修訂日期：2019-05-25 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（U1504512，51779093，51709110）、河南省科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目（174100510021）和中原科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（194200510008） 作者簡(jiǎn)介：雷宏軍，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。Email：hj_lei2002163.com 放特征及影響因素的研究已有諸多報(bào)道，如宋亞娜等9發(fā)現(xiàn)施氮量的增加促進(jìn)了稻田N2O的排放及細(xì)菌群落多樣性的增加；鄭欠等10發(fā)現(xiàn)土壤含水量增大增加了N2O排放；陳慧等11研究表明，加氣灌溉促進(jìn)了土壤N2O排放。上述研究揭示了水、肥、氣等調(diào)控下農(nóng)田N2O的排放特征，但水肥氣耦合滴灌條件下土壤N2O排放特征、作用機(jī)制及適宜的調(diào)控參數(shù)尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。 研究表明，土壤化學(xué)特性和微生物群落結(jié)構(gòu)是決定土壤N2O排放的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)因素12，因此，從土壤環(huán)境因子、硝化反硝化微生物對(duì)農(nóng)業(yè)措施的響應(yīng)關(guān)系入手揭示水肥氣耦合滴灌條件下土壤N2O排放的作用機(jī)制有重要意義。本研究設(shè)置了施氮量、摻氣量和灌水量3因素2水平組合方案試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了水肥氣耦合滴灌對(duì)土壤微生物、土壤理化指標(biāo)響應(yīng)及農(nóng)田土壤N2O排放的影響，并分析了水肥氣耦合滴灌下土壤N2O排放的主導(dǎo)影響因素及其作用機(jī)制，為設(shè)施菜地土壤N2O減排調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。 1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地概況 試驗(yàn)于2017年9月27日2018年1月28日在華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水實(shí)驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)代化溫室中進(jìn)行（34°475.91N，113°4720.15E）。該地屬溫帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.3 ，7月份最熱，月平均氣溫27.3 ，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 96 1月份最冷，月平均氣溫0.1 ，無(wú)霜期200 d，全年日照時(shí)數(shù)約2 400 h。作物生育期平均氣溫和相對(duì)濕度動(dòng)態(tài)列于圖1。 圖1 溫室番茄生育期平均氣溫和相對(duì)濕度（RH）動(dòng)態(tài) Fig.1 Air temperature and relative humidity (RH) dynamics during greenhouse growing cropping season 1.2 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)中供試土壤的砂粒（0.022 mm）、粉粒（0.0020.02 mm）、黏粒（1020、>2030和>3040 cm的土壤容重分別為1.26、1.48、1.50、1.55 g/cm3。剖面土壤質(zhì)地均勻，表層土壤pH值6.5，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.62 g/kg，土壤全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.81、0.79和30.38 g/kg，田間持水率（質(zhì)量含水率）28.0%。供試番茄品種為“金鵬8號(hào)”。 1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)置施氮量、摻氣量、灌水量3因素2水平完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共8個(gè)處理，4次重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)列于表1。 表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) Table 1 Experimental design 處理 Treatment 施氮量 Nitrogen amount/ (kg·hm-2) 摻氣比例 Air void fraction/% 灌水量 Irrigation volume/mm N1CW1 135 0 82.37 N1AW1 135 15 82.37 N1CW2 135 0 123.71 N1AW1 135 15 123.71 N2CW1 180 0 82.37 N2AW1 180 15 82.37 N2CW2 180 0 123.71 N2AW2 180 15 123.71 注：N1、N2分別為低氮和常氮用量，C、A分別為對(duì)照和曝氣處理，W1、W2分別為低濕度和高濕度灌溉處理，下同。 Note: N1, N2 are the low and normal nitrogen application rate. C, A are the non-aerated and continuous aerated treatment. W1, W2 are the watering amount with low and high soil humidity management, the same as below. 試驗(yàn)中共32個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)2 m，寬1 m。于小區(qū)內(nèi)起壟進(jìn)行番茄種植，壟高10 cm，每壟移植5株，株距33 cm。研究中利用水肥氣耦合滴灌裝置進(jìn)行曝氣，采用非壓力補(bǔ)償型滴灌帶進(jìn)行輸水，型號(hào)為JOHN DEERE，直徑16 mm，壁厚0.6 mm，滴頭設(shè)計(jì)流量1.2 L/h，滴頭間距33 cm，埋深15 cm。植株距滴頭10 cm，平行于滴灌帶種植。 1.4 試驗(yàn)管理 番茄于4葉1心至5葉1心進(jìn)行移植。移植當(dāng)天澆透底水，移植后10 d覆膜，株高3040 cm時(shí)進(jìn)行吊蔓，三穗果時(shí)打頂。番茄全生育期共計(jì)124 d，生育期劃分詳見表2。 表2 番茄生育期劃分 Table 2 Duration of tomato growth period 生育期 Growth stage 起止時(shí)間 Start and end date 移栽后時(shí)期 Duration/d 苗期Seedling stage 2017-09-272017-10-23 127 開花坐果期 Blooming and setting stage 2017-10-242017-11-18 2853 果實(shí)膨大期 Fruit expanding stage 2017-11-192017-12-16 5481 成熟期Maturing stage 2017-12-172017-01-28 82124 供試肥料為高鉀型水溶性肥，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、脲態(tài)氮、P2O5、K2O、Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7%、1%、7%、15%、30%、0.10%、0.05%、0.15%、0.05%、0.05%和0.10%（施樂多，中國(guó)康拓肥料有限公司）。番茄移栽前未施基肥，于番茄移栽后的44和65 d進(jìn)行追肥，施肥比例為1:1。利用施肥器將水溶肥摻入水流，在儲(chǔ)水罐中循環(huán)混勻后進(jìn)行施肥。對(duì)照地下滴灌處理利用首部供水裝置進(jìn)行供水；曝氣地下滴灌處理利用文丘里空氣射流器（Mazzei air injector 684，美國(guó)Mazzei Corp公司）進(jìn)行曝氣：當(dāng)水流經(jīng)過文丘里空氣射流器時(shí)，因涌流而致橫截面積變小流速上升，因而壓力減小產(chǎn)生負(fù)壓，吸入承壓罐體上方的空氣，進(jìn)行曝氣。試驗(yàn)中利用儲(chǔ)水管路、循環(huán)泵、文丘里空氣射流器等設(shè)備制得摻氣比率約為15%的摻氣水（曝氣20 min），通過地下滴灌系統(tǒng)進(jìn)行灌水13。各小區(qū)供水系統(tǒng)獨(dú)立，供水壓力為0.10 MPa，采用滴水計(jì)量器計(jì)量灌水量。試驗(yàn)中灌水下限根據(jù)距離植株徑向10 cm、縱向10 cm埋深處的張力計(jì)（12型分體式張力計(jì)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所）確定：當(dāng)土壤基質(zhì)勢(shì)下降至30 kPa時(shí)開始灌溉。灌水量根據(jù)式（1）計(jì)算11 P PW A E K （1） 式中W為各處理每次的灌水量，mm；A為小區(qū)控制面積，2 m2；EP為1個(gè)灌水周期內(nèi)蒸發(fā)皿（型號(hào)為601）的蒸發(fā)量，mm；KP為蒸發(fā)皿系數(shù)，取值0.6和0.9，分別表示低濕度處理W1，高濕度處理W214。灌溉時(shí)間及灌水量見表3。 1.5 樣品采集與測(cè)定方法 1.5.1 氣體N2O樣品采集與分析 試驗(yàn)中利用靜態(tài)箱采集氣體樣品，箱體及底座均采用壁厚6 mm的圓柱形中空PVC管制成，內(nèi)徑15 cm，高度10 cm。隨機(jī)選擇2株番茄間進(jìn)行靜態(tài)箱底座的埋設(shè)，每個(gè)處理隨機(jī)選擇3個(gè)小區(qū)進(jìn)行氣體的監(jiān)測(cè)。埋設(shè)時(shí)將靜態(tài)箱底座的一半嵌入土壤，非采氣時(shí)間用圓形地膜遮蓋，采氣時(shí)間移去地膜，蓋上箱體并用橡皮圈密封。研究中分別于移植后35、36、43、47、48、57、61、66、第11期 雷宏軍等：水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析 97 67、69、74、82、89、95 d進(jìn)行采氣。采樣時(shí)間分別于蓋上箱體的0、10、20和30 min利用帶三通閥的50 mL注射器進(jìn)行氣體采集，每次取氣35 mL，其中5 mL用于潤(rùn)洗，其余30 mL注入12 mL具塞樣品瓶中。采集的氣體樣品1周內(nèi)利用氣相色譜儀（GC-2010Plus，日本島津公司）分析N2O濃度。去除奇異點(diǎn)，保證樣品濃度值與時(shí)間的線性回歸決定系數(shù)R20.85。氣體采集的同時(shí)，利用安插在箱體內(nèi)的溫度計(jì)測(cè)量箱內(nèi)溫度。依據(jù)公式（2）計(jì)算土壤N2O排放通量15。 273 d273 dcF h T t （2） 式中F為土壤N2O排放通量，mg/(m2·h)；為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度，g/cm3；h為箱體高度，m；dc/dt 為氣體濃度變化率，mg/(m3·h)；T為箱體內(nèi)氣溫，。 表3 作物生育期內(nèi)灌水量 Table 3 Irrigation volume during crop growing season 灌水量 Irrigation water volume/mm 灌溉時(shí)間 Irrigation time 移植后天數(shù) Days after transplanting/d W1 W2 2017-10-17 21 4.80 7.20 2017-10-24 28 5.04 7.56 2017-10-30 34 5.64 8.46 2017-11-9 44 9.36 14.04 2017-11-15 50 5.04 7.56 2017-11-21 56 3.90 5.85 2017-11-25 60 5.04 7.56 2017-11-30 65 4.08 6.12 2017-12-8 73 6.90 10.35 2017-12-15 80 5.94 8.91 2017-12-22 87 5.67 8.50 2017-12-28 93 5.27 7.90 2018-01-5 101 6.93 10.40 2018-01-13 109 6.27 9.40 2018-01-21 117 2.50 3.90 合計(jì)In total - 82.37 123.71 溫室番茄地土壤N2O累積排放量依據(jù)式（3）計(jì)算 12 TOt 11NO ( ) 24 102n i i i iiF F t t （3） 式中N2OTot表示作物生育期內(nèi)土壤N2O排放總量，g/hm2；i表示生育期氣樣采集次序；n為生育期內(nèi)氣體采集的總次數(shù)；F為N2O排放通量，mg/(m2·h)；t為移植天數(shù)，d；10為單位換算系數(shù)。 分批收獲番茄果實(shí)，利用精度為0.01 g的天平測(cè)定番茄產(chǎn)量。單位產(chǎn)量N2O累積排放量見式（4）15 2 2 TotNO NO_Y S Y （4） 式中 2NO_Y S 為單位產(chǎn)量N2O排放量（yield-scaled N2O emission），g/kg；Y為作物產(chǎn)量，t/hm2。 氮肥偏生產(chǎn)力依據(jù)式（5）計(jì)算16 N 1000PFP YN （5） 式中 PFPN 為氮肥偏生產(chǎn)力（nitrogen partial factor productivity），kg/kg；N為不同處理小區(qū)施氮量，kg/hm2。 1.5.2 土壤物理、化學(xué)指標(biāo)的測(cè)定 土壤N2O排放通量主要由表層土擴(kuò)散排放，土層較深時(shí)，氣體擴(kuò)散受阻。因此土壤礦質(zhì)氮選取010 cm土層測(cè)定，土壤溫度選擇土深10 cm處測(cè)定17。利用氧化還原電位測(cè)量?jī)x（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，中國(guó)）測(cè)定土壤氧化還原電位（oxidation-reduction potential，Eh）和氧氣擴(kuò)散速率（oxygen diffusion rate，ODR）。預(yù)試驗(yàn)研究表明，探頭20 cm時(shí)，不同處理的Eh和ODR差異顯著，而探頭低于20 cm時(shí)，兩者無(wú)顯著差異，故研究中選擇20 cm進(jìn)行Eh和ODR探頭的埋設(shè)。利用土壤濕度記錄儀（FDS-100，邯鄲市清勝電子科技有限公司）測(cè)定土深10 cm處土壤濕度。FDS-100水分傳感器埋設(shè)于布設(shè)靜態(tài)箱的相鄰2株作物中間。土壤充水孔隙度依據(jù)式（6）計(jì)算15。 WFPS (1 / )m bb s （6） 式中WFPS為充水孔隙度（water-filled pore space），%；m為土壤質(zhì)量含水率，%；b為土壤容重，g/cm3；s為土粒密度，取值2.65 g/cm3。 試驗(yàn)中于施肥前后及生育期末進(jìn)行土壤樣品的采集，采集時(shí)間為移植后36、47、61、66和120 d。測(cè)定礦質(zhì)氮的取土深度為010 cm，每個(gè)小區(qū)各設(shè)1個(gè)取土位置，取土位置為未布設(shè)靜態(tài)箱的相鄰2株作物中央，取土后將取土造成的坑洞填平。取樣后將樣品立即放于4 冰箱保存13 d后待測(cè)18。利用2 mol/L KCL溶液浸提土樣，土壤硝態(tài)氮利用紫外分光光度法測(cè)定，土壤銨態(tài)氮利用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定。土壤礦質(zhì)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)式（7）計(jì)算15。 1000 C VM W （7） 式中M為礦質(zhì)氮（硝態(tài)氮、銨態(tài)氮）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；C為樣品礦質(zhì)氮濃度，mg/L；V為樣品提取液體積，0.05 L；W為樣品質(zhì)量，5.00 g。 1.5.3 土壤硝化與反硝化微生物DNA提取和qPCR分析 番茄果實(shí)膨大期土壤N2O排放通量較大，因此在果實(shí)膨大期（移植后77 d）采集土壤樣品（010 cm）11，測(cè)定微生物取土位置為每個(gè)小區(qū)中部未布設(shè)靜態(tài)箱的相鄰2株作物中央處。土樣經(jīng)液氮冷凍后，置于冷凍干燥機(jī)（Neocoole，日本雅馬拓科技公司）干燥，于無(wú)菌碾缽中碾磨成粉末狀，去除動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)，裝入無(wú)菌離心管，置于70 冰箱保存。硝化反應(yīng)中銨態(tài)氮通過亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，其中由銨態(tài)氮氧化成亞硝酸鹽是硝化反應(yīng)的限速步驟，由氨氧化細(xì)菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）和氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）催化完成19。硝酸鹽還原酶控制著反硝化作用的第一步，硝酸鹽還原酶基因（nitrite reductase，narG）是農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 98 對(duì)應(yīng)的編碼基因；氧化亞氮還原酶控制著反硝化作用的最后一步，氧化亞氮還原酶基因（nitrous oxide reductase，nosZ）是編碼此酶的唯一基因19-20。依據(jù)文獻(xiàn)19方法測(cè)定AOA、AOB和nosZ，依據(jù)文獻(xiàn)21方法測(cè)定narG。 1.6 數(shù)據(jù)處理 使用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖；用SPSS 18.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析；利用AMOS 22.0進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程模型分析。 2 結(jié)果與分析 2.1 水肥氣耦合滴灌下N2O排放特征 圖2列出了不同處理下番茄地土壤N2O排放動(dòng)態(tài)，施肥后土壤N2O排放通量出現(xiàn)短暫峰值，其余時(shí)期各處理N2O排放通量較低。 a. N1處理 a. N1 treatment b. N2處理 b. N2 treatment 注：代表灌水事件，下同。 Note: represents irrigation events, same as below. 圖2 不同處理下番茄地土壤N2O排放動(dòng)態(tài) Fig.2 Nitrous oxide emission flux from greenhouse tomato field soil under different treatments 土壤N2O排放通量主峰值最大為163.69 g/(m2·h)（N2AW2處理），較處理N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW1、N2CW1、N2AW1和N2CW2分別高188.78%、111.27%、106.93%、45.45%、87.24%、55.37%、59.50%。試驗(yàn)加密監(jiān)測(cè)了第二次灌水施肥周期內(nèi)土壤N2O排放動(dòng)態(tài)。施肥后各處理土壤N2O排放通量峰值出現(xiàn)時(shí)間略有差異。低濕度處理N2O排放通量峰值出現(xiàn)在灌水后1 d，其余處理出現(xiàn)在灌水后2 d。施氮量、摻氣量和灌水量的增加均導(dǎo)致N2O排放通量峰值提高和排放峰出現(xiàn)時(shí)間延后。不同處理土壤N2O排放通量次峰值最大值為132.69 g/(m2·h)（N2AW2），較N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW1、N2CW1、N2AW1和N2CW2分別高165.24%、96.27%、97.45%、86.67%、79.41%、10.48%和45.50%。 番茄不同生育階段土壤N2O排放量見表4。 表4 溫室番茄不同生育階段土壤N2O排放量 Table 4 N2O emission from soils at different growth stages under greenhouse tomato cropping stage g·hm-2 處理 Treatment 苗期 Seedling stage 開花坐果期 Blooming and setting stage 果實(shí)膨大期 Fruit expanding stage 成熟期 Mature stage N2O排放總量 Total N2O emissions N1CW1 / 104.60±16.34e 149.47±9.56d 22.32±0.69e 261.96±22.73d N1AW1 / 151.95±3.47d 237.28±13.16c 24.42±2.89de 391.24±8.16c N1CW2 / 160.36±15.50cd 206.06±11.16c 25.90±4.98de 369.12±15.53c N1AW2 / 213.38±11.05b 282.35±6.38b 28.19±1.37cd 493.61±9.54b N2CW1 / 149.73±17.10d 235.80±15.21c 25.28±1.03de 387.33±30.21c N2AW1 / 185.65±25.82bc 310.95±25.46b 31.16±2.08bc 499.67±41.99b N2CW2 / 188.90±28.66bc 294.49±16.31b 33.73±2.99ab 488.97±36.19b N2AW2 / 261.53±21.04a 390.31±50.28a 37.17±0.64a 652.79±58.87a 施氮量N / 25.33* 92.87* 41.95* 94.29* 摻氣量O / 45.71* 82.08* 11.24*s 100.69* 灌水量W / 56.49* 42.01* 28.41* 77.29* N×O / 0.07ns 0.03ns 1.45ns 1.18ns N×W / 0.01ns 0.97 ns 3.03 ns 0.73ns O×W / 1.88 ns 0.06 ns 0.30 ns 0.78ns N×O×W / 1.01ns 0.76 ns 0.41 ns 1.14ns 注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示P=0.05水平存在顯著性差異，*和*分別表示P=0.05和P=0.01水平存在顯著性差異，ns表示P=0.05水平不存在顯著性差異，下同。 Note The different letters at same column indicate significant differences at the level of P=0.05, * and * respectively indicate that there is a significant difference at P=0.05 and P=0.01 levels, while ns indicates that there is no significant difference at P=0.05 level, the same as below. 表4列出了番茄不同生育階段土壤N2O排放量。由于N2O的排放總量和排放峰值與施肥密切相關(guān)。已有研究表明N2O的排放峰值和總量與施肥密切相關(guān)，峰值均出現(xiàn)在施肥后且具有較大占比22-23，因此本研究在番茄移栽前和苗期均未進(jìn)行施肥，苗期N2O排放量對(duì)全生育期排放總量的影響較小。施氮量增大增加了土壤N2O排放總量，N2水平下，處理N2CW1、N2AW1、N2CW2和N2AW2的N2O排放總量較N1水平下各相應(yīng)處理分別增大47.86%、27.71%、32.47%和32.25%（P<0.05），故N2條件下N2O排放總量較N1平均增加33.83%；摻氣處理增加了土壤N2O排放總量，N1水平下處理N1AW1和N1AW2的N2O排放總量較相應(yīng)的不摻氣對(duì)照處理增加了49.35%和33.74%（P<0.05），N2水平下處理N2AW1和N2AW2的N2O排放總量較相應(yīng)的不摻氣對(duì)照處理增加了29.00%和33.50%（P<0.05），故曝氣條件下N2O排放總量較不摻氣對(duì)照平均增加35.16%；灌水量的增加增大了土壤N2O排放總量，W2水平下處理N1CW2、N1AW2、第11期 雷宏軍等：水肥氣耦合滴灌番茄地土壤N2O排放特征及影響因素分析 99 N2CW2和N2AW2的N2O排放總量較W1水平下各相應(yīng)處理增加了40.90%、26.17%、26.24%和30.64%（P<0.05），故W2條件下N2O排放總量較W1平均增加30.14%。由土壤N2O排放總量的交互作用分析知：灌水量、摻氣量和施氮量的3因素交互作用和兩兩交互作用都不顯著。綜上，就土壤N2O排放總量而言，摻氣量對(duì)土壤N2O排放總量的影響高于施氮量。不同處理土壤N2O階段排放量表現(xiàn)為番茄成熟期最??；開花坐果期次之；果實(shí)膨大期最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余2個(gè)生育階段。 不同水肥氣組合方案下單位產(chǎn)量N2O累積排放定額及氮肥偏生產(chǎn)力見表5。表5表明，施氮量的增加提高了作物產(chǎn)量，N2水平下處理N2CW1、N2AW1、N2CW2和N2AW2的產(chǎn)量較N1水平下各相應(yīng)處理分別增加35.24%、44.98%、38.87%和44.39%（P<0.05）；曝氣處理提高了番茄產(chǎn)量，N1水平下處理N1AW1和N1AW2的產(chǎn)量較相應(yīng)對(duì)照處理增加了19.79%和19.34%（P<0.05），N2水平下處理N2AW1和N2AW2的產(chǎn)量較相應(yīng)對(duì)照處理增加了28.42%和24.08%（P<0.05）；灌水量的增多提高了番茄產(chǎn)量，W2水平下處理N1CW2、N1AW2、N2CW2和N2AW2的番茄產(chǎn)量較W1水平下各相應(yīng)處理增加了40.66%、40.13%、44.43%和39.55%（P<0.05）。 表5 水肥氣耦合滴灌番茄地單位產(chǎn)量N2O排放定額及 氮肥偏生產(chǎn)力 Table 5 Yield-scaled N2O emission and nitrogen partial productivity of tomato soil under water, fertilizer and air coupled irrigation 處理 Treatment 產(chǎn)量 Yield/(t·hm-2) 單位產(chǎn)量 N2O排放定額 Yield-scaled N2O emission/(mg·kg-1) 氮肥偏生產(chǎn)力 Nitrogen partial factor productivity/(kg·kg-1) N1CW1 16.29±1.01f 16.13±1.79bc 120.64±7.49d N1AW1 19.51±0.70e 20.06±0.44a 144.52±5.21e N1CW2 22.91±0.59d 16.13±1.09bc 169.70±4.39c N1AW2 27.34±0.52c 18.06±0.37ab 202.52±3.86b N2CW1 22.03±0.27d 17.57±1.16bc 122.37±1.53f N2AW1 28.29±0.41c 17.68±1.67bc 157.15±2.27d N2CW2 31.81±1.18b 15.40±1.58c 176.75±6.54c N2AW2 39.47±1.04a 16.56±1.82bc 219.31±5.78a 施氮量N 781.26* 2.05ns 21.75* 摻氣量O 287.61* 10.35* 267.76* 灌水量W 775.54* 5.72* 745.07* N×O 24.27* 4.32ns 6.35* N×W 26.230* 0.34ns 1.34ns O×W 4.20ns 0.18ns 4.17ns N×O×W 0.02ns 1.91ns 0.02ns 單位產(chǎn)量 N2O 排放定額最小為 20.29 mg/kg（N2CW1），較N1CW1、N1AW1、N1CW2、N1AW2、N2AW1、N2CW1和N2AW2減小12.13%、28.76%、18.37%、37.11%、19.26%、12.23%和27.88%。曝氣處理增加了單位產(chǎn)量N2O排放定額，N1AW1處理單位產(chǎn)量N2O排放定額較N1CW1處理增加24.36%（P<0.05）。曝氣處理提高了番茄氮肥偏生產(chǎn)力，N1水平下處理N1AW1和N1AW2的氮肥偏生產(chǎn)力較相應(yīng)對(duì)照處理增加了19.78%和19.34%（P<0.05），N2水平下處理N2AW1和N2AW2的氮肥偏生產(chǎn)力較相應(yīng)對(duì)照處理增加了28.42%和24.08%（P<0.05）。 2.2 土壤物理化學(xué)因子分析 土壤濕度、溫度、氧化還原電位（Eh）、氧氣擴(kuò)散速率（ODR）、NO3-N、NH4+-N的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)研究，不同施氮水平對(duì)土壤充水孔隙度、土壤溫度、氧化還原電位和氧擴(kuò)散速率無(wú)顯著影響，故試驗(yàn)中僅選擇N2施肥水平進(jìn)行測(cè)定。圖3a顯示，不同處理土壤充水孔隙度變化趨勢(shì)基本一致，灌水后土壤充水孔隙度迅速上升至峰值，峰值時(shí)高濕度處理土壤充水孔隙度高于低濕度處理，之后隨著時(shí)間的推移2種灌水量的土壤充水孔隙度逐漸接近。低濕度處理下，曝氣灌溉處理土壤充水孔隙度平均值較對(duì)照處理平均降低了1.34%；高濕度處理下，曝氣灌溉處理土壤充水孔隙度平均值較對(duì)照處理平均降低了7.45%。不摻氣處理下，高濕度處理土壤充水孔隙度均值較低濕度處理平均增大了12.63%；曝氣灌溉下，高濕度處理土壤充水孔隙度均值較低濕度處理平均增大了6.12%。 整個(gè)生育期土壤溫度在13.025.7 范圍內(nèi)波動(dòng)，不同處理土壤溫度變化幅度較?。▓D3 b）。一個(gè)灌水周期內(nèi)氧化還原電位呈現(xiàn)灌水后先下降后上升的趨勢(shì)，上升和下降階段均持續(xù)1 d左右，其余時(shí)間各處理氧化還原電位波動(dòng)較小（圖3c）。低濕度處理下，曝氣處理Eh平均值較對(duì)照處理平均增大了3.22%；高濕度處理下，曝氣處理Eh平均值較對(duì)照處理平均增大了36.41%。對(duì)照灌溉處理下，高濕度處理Eh平均值較低濕度處理平均降低了7.91 %；曝氣灌溉處理下，高濕度處理Eh平均值較低濕度處理平均增大了23.29%。 ODR與Eh的變化趨勢(shì)基本一致，但灌水后氧氣擴(kuò)散速率上升和下降階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（圖3d）。低濕度處理下，曝氣灌溉處理ODR平均值較對(duì)照灌溉處理平均增大了7.70%；高濕度處理下，曝氣灌溉處理ODR平均值較對(duì)照處理平均增大了29.23%。不摻氣處理下，高濕度處理ODR平均值較低濕度處理平均降低了5.81%；曝氣灌溉處理下，高濕度處理ODR平均值較低濕度處理平均增大了12.60%。 番茄生長(zhǎng)季內(nèi)，土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低，在0.574.45 mg/kg范圍內(nèi)變化。土壤無(wú)機(jī)氮中硝態(tài)氮占比較大，且不同灌水量處理土壤硝態(tài)氮含量與施肥及N2O排放有關(guān)，低濕度處理土壤硝態(tài)氮含量及N2O排放均低于高濕度處理（P<0.05），施肥后土壤硝態(tài)氮含量明顯提升（圖3e）。全生育期土壤銨態(tài)氮含量變化趨勢(shì)與硝態(tài)氮一致，但土壤氨態(tài)氮所占比率較?。▓D3f）。 2.3 番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因豐度 溫室番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因豐度見表6。增加灌水量，N2CW2處理溫室番茄地AOB基因豐度呈上升趨勢(shì)，增大81.80%（P<0.05）；處理N2AW2溫室番茄地nosZ基因豐度差異不顯著；與對(duì)應(yīng)不摻氣對(duì)照相比，曝氣灌溉N2AW1處理增溫室番茄地AOA數(shù)量差異不顯著。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019年 100 圖3 溫室番茄地土壤濕度（WFPS）、溫度、氧氣擴(kuò)散速率、氧化還原電位(Eh)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮?jiǎng)討B(tài) Fig.3 Water filled pore spaces (WFPS), temperature, oxygen diffusion rate, oxidation-reduction potential (Eh), nitrate and ammonium dynamics in soils under greenhouse tomato cropping system 表6 溫室番茄地土壤硝化、反硝化微生物功能基因豐度 Table 6 Soil functional gene abundance of nitrifying and denitrifying microorganisms under greenhouse tomato cropping system 處理 Treatment AOA/ (105 copies·g-1) AOB/ (103 copies·g-1) narG/ (105 copies·g-1) nosZ/ (104 copies·g-1) N2CW1 3.75±1.03a 7.30±1.94b 9.93±3.63a 3.14±0.77a N2AW1 3.86±0.93a 6.28±0.96b 8.36±2.74a 1.74±0.32a N2CW2 2.98±0.13a 13.27±4.96a 7.94±1.04a 2.59±0.30a N2AW2 2.72±0.59a 4.75±1.90b 6.77±1.40a 1.77±0.25a 摻氣量O 1.816ns 8.922* 0.001ns 15.141* 灌水量W 8.538* 4.419ns 0.524ns 0.353ns O×W 0.258ns 6.012* 0.279ns 1.558ns 注：AOA為氨氧化古菌；AOB為氨氧化細(xì)菌； narG 為硝酸鹽還原酶基因；nosZ為氧化亞氮還原酶基因。 Note: AOA is ammonia-oxidizing archaea; AOB is ammonia- oxidizing bacteria; narG is nitrite reductase; nosZ is nitrous oxide reductase. 2.4 結(jié)構(gòu)方程模型分析 圖4給出了土壤N2O排放影響因素的結(jié)構(gòu)方程模型分析結(jié)果。 注：WFPS、ODR、NH4+、NO3-、Ts分別表示土壤充水孔隙度、氧氣擴(kuò)散速率、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和土壤溫度。 Note: WFPS, ODR, NH4+, NO3-